На информационном ресурсе применяются рекомендательные технологии (информационные технологии предоставления информации на основе сбора, систематизации и анализа сведений, относящихся к предпочтениям пользователей сети "Интернет", находящихся на территории Российской Федерации)

Свежие комментарии

  • Владимир
    Риск снижается, но все равно в итоге приводит к 100 % смертности.Инфаркт миокарда ...

Нобелевская премия по физике — 2023

Рис. 1. Лауреаты Нобелевской премии по физике 2023 года

Нобелевская премия по физике за 2023 год была присуждена Ференцу Краусу (Ferenc Krausz), Анн Люийе (Anne L’Huillier) и Пьеру Агостини (Pierre Agostini) за создание ультракоротких вспышек излучения аттосекундной длительности и за открывшуюся тем самым возможность изучать сверхбыстрые электронные процессы внутри атомов и молекул.

В этой статье мы расскажем, почему физикам потребовался инструмент для измерения столь коротких промежутков времени, какие на пути к этому возникали трудности, и что именно сделали нобелевские лауреаты и их коллеги.

Короткие вспышки света

Наша жизнь наполнена движением, превращениями, постоянным взаимодействием всего со всем. Всё это разнообразие явлений — от банальных механических процессов до самой жизни — складывается из невообразимого множества быстротечных микроскопических процессов с участием молекул, атомов, электронов, квантов света, которые происходят одновременно и повсюду. По-настоящему понимать и всесторонне использовать макроскопические явления невозможно без знания того, какие именно процессы разворачиваются на сверхмалых расстояниях и сверхкоротких временах. И для этого исследователям нужны не только микроскопы, но и инструменты, позволяющие «расщепить мгновение», проследить за сверхбыстрым движением атомов, электронов и их взаимодействием друг с другом и со светом.

Дольные приставки СИ
милли- м 10−3
микро- мк 10−6
нано- н 10−9
пико- п 10−12
фемто- ф 10−15
атто- а 10−18
зепто- з 10−21
йокто- и 10−24

Проникновение физиков вглубь секунды, ко все более и более коротким промежуткам времени — исключительно богатая тема для рассказа. Читателю, готовому погрузиться в мир быстропротекающих процессов, можно порекомендовать отдельный раздел на «Элементах» Масштабы: Времена. Поскольку сегодняшний рассказ касается Нобелевской премии 2023 года, присужденной за аттосекундные исследования, давайте быстро пройдем по всей лестнице временных диапазонов вплоть до фемтосекунды и поймем, почему физикам потребовалось перейти к еще более мелким «осколкам времени», к аттосекундам.

В первой половине XX века физикам был вполне доступен милли- и микросекундный диапазон времен. В годы Второй мировой войны, в ходе работы над атомным проектом, были сконструированы сверхскоростные кинокамеры, выдававшие уже миллионы кадров в секунду. Благодаря развитию электронной вспышки и использованию разнообразных электрооптических эффектов, к середине века физикам удавалось получать вспышки света длительностью в наносекунды и изучать структурные изменения в веществе при экстремальном воздействии. Однако наносекунды, какими бы мимолетными они нам ни казались по меркам повседневной жизни, — это все-таки слишком долго для мира атомов и молекул. Мельтешение молекул в веществе, а тем более колебания и изгибы отдельных молекул, заметны лишь на масштабе пико- и фемтосекунд. Технологий, способных генерировать столь короткие вспышки света, в середине века не существовало.

Ситуация радикально изменилась с изобретением лазеров. В 1960 году Теодор Майман описал первый работающий лазер и сообщил о наблюдении в нем вспышечной активности в долю миллисекунды. Но уже в 1962 году, благодаря новым идеям и разработкам по управлению лазерным светом, исследователи погрузились вглубь микросекунды и получили лазерные импульсы длительностью менее 50 нс. А затем была придумана и реализована методика синхронизации мод лазерного излучения, которая рывком, за считанные годы, позволила сократить длительность лазерных импульсов до десятка пикосекунд. Вот на этом явлении — синхронизации мод (по-английски, mode locking) — стоит остановиться чуть подробнее, поскольку оно потом поможет нам понять и историю открытия аттосекундных импульсов.

Если у вас есть источник, излучающий волну на одной фиксированной частоте, то никакого короткого импульса вы от него не получите. Это будет скучная, монотонная волна. Придать излученному сигналу какой-либо профиль — то есть промодулировать волну — можно, лишь накладывая друг на друга волны с разными частотами. Это справедливо и для звуковых волн — именно так мы и разговариваем, — и для радиоволн, и для света. Если частоты накладывающихся волн произвольны, суммарная волна приобретет замысловатый непериодический профиль. Однако если частоты нескольких волн отстоят друг от друга на одинаковые интервалы, образуя этакую «частотную гребенку», их наложение порождает периодически повторяющийся паттерн (рис. 2). Так, гармоничное звучание струнных музыкальных инструментов возникает именно в результате наложения нескольких гармоник, звуковых колебаний с кратными частотами.

Рис. 2. Сложение нескольких волн с равноотстоящими друг от друга частотами порождает череду коротких всплесков

То же самое можно организовать и в лазерах (рис. 3). Активная среда внутри лазера способна усиливать и поддерживать излучение в некотором интервале частот. Однако не все эти частоты могут удержаться внутри лазера. Чисто за счет геометрии оптического резонатора лазера, без каких-либо особых усилий с нашей стороны, из этой широкой полосы выживает, усиливается и «выстреливается» наружу сразу несколько «мод» излучения на равноотстоящих друг от друга частотах. Выбирая материал для активной среды лазера, мы можем влиять на ширину полосы частот; настраивая геометрические размеры лазера, мы заполняем эту полосу более густым или более редким частоколом мод излучения. Если настроить лазер так, чтобы все эти моды наложились синхронно, они погасят друг друга почти везде, за исключением кратчайших мгновений. Именно так в лазере получаются вспышки пикосекундной длительности — не в виде одиночных всплесков, а в форме периодического «паровозика» таких импульсов.

Рис. 3. Синхронизация мод в лазере на диаграмме интенсивности в зависимости от частоты

Чем более короткую вспышку лазерного света мы хотим получить, тем из большего количества мод нам придется ее собирать. К 1970-х годам были найдены подходящие материалы, способные излучать свет в очень широкой полосе частот. В результате к началу 1980-х годов были получены вспышки длительностью всего в сотню фемтосекунд, а в 1987 году, с учетом дополнительных ухищрений, был установлен рекорд, долгое время остававшийся непревзойденным: 6 фемтосекунд.

В погоне за электронами

Фемтосекундные лазерные импульсы позволили физикам отслеживать движение атомов и молекул с помощью изящной экспериментальной идеи, которая носит название метода накачки и зондирования. Это, по сути, старая добрая фотография со вспышкой — но уже на совсем других пространственных и временных масштабах. Установка генерирует два коротких световых импульса и «стреляет» ими по мишени, например, по отдельным молекулам. Первый импульс — импульс накачки — поглощается молекулой и запускает в ней нестационарный процесс, например колебание. Следом за ним приходит второй, зондирующий импульс, который «прощупывает» состояние молекулы в этот момент времени. Критически важно, что два световых импульса попадают на мишень не одномоментно, а с настраиваемой задержкой по времени. Однократный выстрел такой парой импульсов дает немного информации. Но если проводить эксперимент раз за разом, каждый раз меняя время задержки, а затем соединить все данные, можно проследить, как разворачивается во времени отклик системы на резкое возмущение. Именно так, из синтеза многих снимков, и получается «молекулярное кино». Одним из самых впечатляющих приложений такой методики стало наблюдение за элементарными шагами химических реакций на уровне отдельных молекул (Нобелевская премия по химии за 1999 год, присуждена Ахмеду Зевейлу).

Хотя и сами фемтосекундные лазерные импульсы, и возникшие благодаря им направления исследований, такие как фемтохимия и фемтобиология (см. V. Sundström, 2008. Femtobiology), носят приставку «фемто», надо все-таки понимать, что речь тут идет о процессах длительностью в десятки и сотни фемтосекунд. Это подходящие времена для отслеживания отдельных молекул и их внутренних колебаний, но совершенно не тот масштаб, на котором «живут» отдельные электроны. Электроны — легкие частицы, и их типичная скорость и в веществе, и внутри атомов намного выше скоростей тяжелых, неповоротливых атомов и молекул. Динамика отдельных электронов в атомах и молекулах разворачивается на масштабе в доли фемтосекунды, в крайнем случае — несколько фемтосекунд (рис. 4). И если вы хотите исследовать такие процессы, вам требуется инструмент с временным разрешением меньше фемтосекунды. Тут помогут лишь ультракороткие сгустки излучения из аттосекундного диапазона.

Фемтосекундный барьер

И тут возникает препятствие совсем иного рода (рис. 5). Свет — это электромагнитная волна, период колебания которой составляет от полутора фемтосекунд для фиолетового света до двух с половиной фемтосекунд — для красного. Каким бы коротким ни был импульс света, он должен полностью проколебаться хотя бы пару раз. А значит, «упаковать» световой импульс меньше чем в пару фемтосекунд в принципе не получится. Это не техническое, а принципиальное — даже математическое — ограничение.

Можно, впрочем, заставить световую волну колебаться намного чаще. Но тогда это будет уже не видимый свет, а далекий ультрафиолет или даже рентген. Такое излучение существует, его можно генерировать, но получать ультракороткие сгустки длительностью менее фемтосекунды современные устройства не умеют. В этом смысле оптический диапазон занимает исключительное положение: таким светом легко управлять самыми хитроумными способами. С рентгеном, увы, подобная эквилибристика не проходит.

Подведем промежуточный итог. Хотя к концу 1980-х годов физики научились генерировать световые импульсы длительностью в десяток фемтосекунд и могли отслеживать движение атомов и молекул, бурная жизнь электронов внутри дестабилизированных атомов и молекул оставалась для них недоступной. Когда атом поглощает фотон, за какое время электрон вылетает из атома? Различается ли это время для электронов с разных оболочек? Как и за какое время происходит перегруппировка оставшихся электронов в атоме? А в молекуле? Все эти фундаментальные вопросы очень естественны, но экспериментальная физика на них ответить не могла — просто потому, что в ее арсенале не было световых вспышек короче одной фемтосекунды.

И лишь благодаря методичным исследованиям с конца 1980-х годов по начало 2000-х и, в особенности, благодаря пионерским работам нобелевских лауреатов 2023 года, фемтосекундный барьер был наконец-то взят.

Сфера высоких гармоник

Аттосекундная физика выросла из нелинейной оптики — направления оптических исследований, которое, казалось бы, никаким боком не относится к сверхкоротким импульсам света.

Представьте себе лазерный луч, который летит сквозь разреженный одноатомный газ. На первый взгляд, ничего необычного с ним не происходит. Он может рассеиваться из-за взаимодействия света с атомами газа, но частота рассеянного света остается практически той же. Однако если лазерный луч очень мощный, процесс рассеяния может оказаться нелинейным: атом успеет поглотить не один, а сразу несколько фотонов, а затем высвободит всю эту энергию в виде одного фотона кратной энергии. Получается, что мощный лазерный луч частоты \(\omega\) при прохождении сквозь газ способен порождать излучение с кратно увеличенной частотой: \(3\omega\), \(5\omega\) и так далее вплоть до некоторого значения \(n\omega\) (в обсуждение, почему для одноатомных газов возникают только нечетные числа, пускаться не будем). По аналогии с кратными частотами, которые порождает струна гитары, свет на кратных частотах называется гармониками исходного излучения.

Излучение на тройной частоте при пропускании лазерного луча сквозь инертные газы было обнаружено в далеком 1967 году (G. New, J. Ward, 1967. Optical Third-Harmonic Generation in Gases); впоследствии в экспериментах проявились и более высокие гармоники. Особого ажиотажа это явление у физиков не вызывало: причина эффекта была понятна, и к тому же интенсивность \(n\)-й гармоники быстро ослабевала с ростом \(n\).

Однако в 1980-х годах достаточно рутинные исследования преподнесли сюрприз. Оказалось, что мощные лазеры порождали не пару-тройку, а несколько десятков гармоник! И что самое удивительное, высокие гармоники, начиная с пятой, вовсе не ослабевали, а держались примерно на одном уровне интенсивности, образуя этакое плато на графике (рис. 6). В классическом эксперименте 1988 года, выполненном Анн Люийе и ее коллегами в университете Париж-Сакле под Парижем, мощный инфракрасный лазер порождал четкое плато высоких гармоник вплоть до \(n=33\), после чего распределение резко обрывалось (M. Ferray et al., 1988. Multiple-harmonic conversion of 1064 nm radiation in rare gases). В последующие годы граничное число \(n\) оказывалось еще выше.

Рис. 6. Схематичное изображение спектральной интенсивности излучения при генерации высоких гармоник

Излучение на таких высоких частотах — это уже не оптический диапазон, а жесткий ультрафиолет, вплотную приближающийся к рентгену. И поначалу было непонятно, как столь жесткое излучение образуется в довольно-таки мягких условиях и почему высокие гармоники умудряются держать ровное плато интенсивности вплоть до высоких значений \(n\). Но даже без микроскопического объяснения, опираясь лишь на аналогию с явлением синхронизации мод внутри лазера, многие физики сразу высказали идею: если каким-то образом синхронизировать друг с другом все эти высокие гармоники, при их сложении может получиться импульс излучения намного короче фемтосекунды! Впрочем, было не вполне понятно, как эту идею реализовать — ведь детальный физический механизм генерации высоких гармоник (по-английски, high harmonic generation, HHG) был на тот момент неизвестен.

Ситуация прояснилась в начале 1990-х. Сначала в статье Анн Люийе, Кеннета Шафера и Кеннета Кулэндера (A. L'Huillier et al., 1991. Theoretical aspects of intense field harmonic generation), а затем в работе Кулэндера с сотрудниками (J. Krause et al., 1992. High-order harmonic generation from atoms and ions in the high intensity regime) была построена теория этого процесса и объяснены основные закономерности. А уже в 1993 году Кулэндер и, независимо от него, канадский физик Пол Коркум (Paul Corkum) придумали максимально наглядное — наполовину квантовое, наполовину классическое — описание процесса. Небольшая статья Коркума 1993 года Plasma perspective on strong field multiphoton ionization, набравшая уже под девять тысяч цитирований, стала опорной точкой для дальнейшего обсуждения эффекта, а в вышедшей в следующем году статье Люийе, Коркума, Михаила Иванова и их соавторов была разработана и полная квантовая теория процесса (M. Lewenstein et al., 1994. Theory of high-harmonic generation by low-frequency laser fields).

Приключения блудного электрона

В рамках полуклассической картины Кулендэра и Коркума, процесс излучения состоит из трех этапов, через которые проходит каждый атом, попадающий в мощный лазерный луч (рис. 7). Пусть у нас есть изолированный атом, у которого, для простоты, мы будем считать подвижным лишь один электрон. График потенциальной энергии этого электрона напоминает воронку: ядро притягивает электрон своим зарядом и не дает ему улететь прочь (рис. 7, a). Когда мощный лазерный импульс проходит сквозь газ, свет своим электрическим полем воздействует на атом, и воздействие это — переменное по времени. Профиль потенциальной энергии теперь имеет вид воронки на склоне горы, причем наклон как бы качается то влево, то вправо, в соответствии с колебанием электрического поля (рис. 7, b, c). Обратите внимание, что колебание инфракрасной волны с периодом в несколько фемтосекунд — это самый медленный процесс во всей этой картине.

Если лазерный луч слабый, «уклон» горы небольшой, и ничего опасного такой свет с атомом и электроном не сделает. Но в мощном световом импульсе электрическое поле столь сильно, что оно может посоперничать с электрическим полем ядра. Экстремально мощный световой импульс просто-напросто выдрал бы электрон из атома и унес бы его прочь. Но нам такое экстремальное поле не нужно. Нам достаточно, чтобы в определенный момент наклон позволил бы электрону туннелировать наружу, аккуратно «выпасть» из атома сквозь оставшийся потенциальный барьер (рис. 7, b).

«Выпавший» наружу электрон освободился от притяжения ядра — но не от сильного электрического поля лазерного импульса! Это поле продолжает увлекать электрон за собой, придавая ему энергию. В какой-то момент электрическое поле меняет направление на противоположное (рис. 7, c), разворачивает электрон, снова разгоняет его — и со всего размаху ударяет электроном по «родительскому» атому. «Блудный» электрон с какой-то вероятностью может тут же сесть на место, с которого он до этого соскочил, и испустить фотон. Но только за время своего путешествия наружу он успел накопить немало энергии, поглотив много фотонов лазерного импульса, — и вот сейчас он эту энергию излучает в виде одного-единственного кванта.

И теперь самый тонкий момент. Чем больше времени электрон провел во время своей вылазки наружу атома, тем больше лазерных фотонов он успел поглотить и тем выше частота излученного фотона в конце путешествия. Но туннелирование наружу — процесс квантовый, вероятностный, а не детерминированный. Поэтому не существует какого-то строго фиксированного момента выпадания и четко определенного времени, проведенного снаружи. Электрон как бы одновременно выходит на экскурсии разной длительности — и значит, испускает в конце путешествия не четко фиксированный по энергии фотон, а суперпозицию фотонов с разной энергией. Подчеркну: не много фотонов с разной энергией, а один-единственный квант света, но только в суперпозиции частот, со спектром в форме частотной гребенки (рис. 7, d).

Как такое возможно? Да очень просто: в момент возвращения в родной атом электрон выбрасывает ультракороткий сгусток излучения, тот самый импульс из аттосекундного диапазона, который физики мечтали получить! Такая ультракороткая вспышка испускается раз за разом на каждом полупериоде инфракрасной лазерной волны. Такой «паровоз» из выверенных по времени ультракоротких импульсов и представляет собой наложенные и синхронизированные друг с другом кратные частоты.

Вдумайтесь: перед нами настоящее чудо природы. Когда в конце 1980-х физики обнаружили частотную гребенку с большим числом высоких гармоник, они ломали голову, как бы так сделать, чтобы синхронизировать эти гармоники и сложить из них ультракороткую вспышку света. И вдруг оказалось, что ничего делать не нужно — природа все сделала сама! Электрон, выходящий «погулять» на каждом полупериоде лазерного света, сам все синхронизирует — и именно в силу этого мы и видим красивую гребенку и ровное плато.

Более того, ультракороткая вспышка излучения, вырвавшаяся при ударе электрона о родительский атом, излучается не в произвольную сторону, а вдоль исходного мощного сгустка света. Она четко синхронизирована с исходным импульсом по времени — ведь она появляется во вполне определенный момент цикла колебания лазерной волны. Она несет ту же линейную поляризацию, что и исходный импульс. И наконец, она испускается когерентно, согласованно всеми атомами в том объеме газа, сквозь который идет лазерный луч (рис. 8). Перед нами двойное чудо: электроны не просто генерируют аттосекундный импульс, но и еще и делают это синхронно по всему объему и в правильный момент времени. И все это происходит само, за счет квантовой механики.

Рис. 8. Ультракороткая вспышка жесткого ультрафиолета генерируется одновременно и когерентно по всему объему газа в фокусе лазерного импульса

Помните, мы выше описывали принцип накачки и зондирования? Так ведь перед нами уже готовая пара с двумя настроенными световыми импульсами! Теперь остается только научиться направлять эти импульсы на мишень, сдвигать один относительно другого — и наслаждаться последовательными кадрами аттосекундного видео.

Фемтосекундный барьер — взят!

Восторги восторгами, но физикам, конечно, пришлось попотеть, чтобы преодолеть технические трудности, сгенерировать аттосекундные импульсы и надежно измерить их длительность. Теоретические работы Люийе, Кулэндера, Коркума и других показали, как можно управлять процессом излучения аттосекундного импульса и, в частности, как получить однократную аттосекундную вспышку (спойлер: сделать лазерный импульс длительностью лишь в несколько периодов, чтоб электрон смог «выйти погулять» только на одном-единственном, самом мощном цикле колебаний).

В 2001 году эти идеи были успешно реализованы сразу двумя командами экспериментаторов. Сначала группа Пьера Агостини из того же университета Париж-Сакле, в котором за 13 лет до этого Люийе с коллегами обнаружила плато высоких гармоник, сообщила о получении «паровозика» из световых импульсов длительностью 250 аттосекунд каждый (P. Paul et al., 2001. Observation of a Train of Attosecond Pulses from High Harmonic Generation). А несколько месяцев спустя коллектив под руководством Ференца Крауса из Технического университета Вены смог получить одиночный импульс мягкого рентгена длительностью в 650 аттосекунд (M. Hentschel et al., 2001. Attosecond metrology). То, что это был однократный импульс, оказалось большим плюсом: можно было проводить тонкие эксперименты с атомами, не опасаясь, что пришедшие следом импульсы все запутают.

Любопытно еще и то, как экспериментаторы измерили длительность аттосекундных вспышек. Агостини применил разработанную им методику, окрещенную RABITT (Reconstruction of attosecond beating by interference of two-photon transitions). Суть в том, что аттосекундная вспышка жесткого ультрафиолета в сопровождении инфракрасного импульса попадают на специально подобранную мишень и пытаются возбуждать атомы за счет одновременного поглощения сразу двух фотонов — ультрафиолетового и инфракрасного. Когда оба импульса находятся в пике интенсивности, они помогают друг другу возбуждать атомы, и физики регистрируют четкий сигнал. Когда два импульса сдвинуты на долю периода, они уже плохо помогают друг другу, и сигнал от двухфотонного возбуждения пропадает. Сдвигая два импульса друг относительно друга и измеряя сигнал, можно «прощупать» короткий аттосекундный импульс и измерить его длительность.

Краус поступил несколько иным способом — он снова призвал на помощь электроны. Ультракороткая вспышка рентгена попадает на атом мишени и выбивает из него электрон, который впоследствии регистрируется электронным детектором, где измеряется его энергия. Однако вместе с ультракоротким рентгеном приходит и сильный инфракрасный импульс. Выскочивший из атома электрон оказывается вовсе не в пустоте, а в сильном электрическом поле этой инфракрасной волны. Электрическое поле дает электрону дополнительный «пинок» — и либо добавляет ему энергию, либо, наоборот, слегка притормаживает (рис. 9). Все зависит от того, в какой именно момент времени инфракрасного колебания выскочил электрон. Экспериментаторы измеряли энергию пойманного электрона для разного временного сдвига двух импульсов и наблюдали, как средняя энергия электронов периодически то возрастала, то уменьшалась. Сравнение этой картины с теоретическим моделированием позволяло измерить длительность ультракороткого импульса.

Рис. 9. Электрон, выбитый из атома ультракороткой вспышкой ультрафиолета

Внутренняя жизнь атома

Давайте теперь посмотрим, что нового можно узнать с помощью аттосекундных импульсов излучения. Когда многоэлектронный атом поглощает фотон высокой энергии, происходит ионизация: энергия фотона передается электрону, он срывается со своего места и улетает прочь. Если это был не внешний, а внутренний электрон, на его месте остается «дырка» электронной плотности. Такое состояние иона исключительно нестабильно, и соседние электроны стремятся это место побыстрее занять, запуская тем самым каскад быстрых процессов внутри атома (рис. 10).

Рис. 10. Поглощение фотона большой энергии внутренним электроном способно породить самые разные процессы перестройки электронной оболочки атома

Занимая вакантное место, соседний электрон испускает фотон. Но может получиться так, что этот внутренний фотон так и никуда и не улетает, а снова поглощается внутри того же атома, уже третьим электроном, который тоже срывается со своей орбиты и улетает прочь. Этот многоступенчатый процесс известен достаточно давно и называется эффектом Оже (назван в честь французского физика Пьера Оже, Pierre Auger). Со стороны мы видим, что энергичный фотон выбивает сначала первый электрон (фотоэлектрон), а следом за ним вылетает оже-электрон со своей энергией. Однако до сих пор никому не удавалось проследить то, как этот процесс развивается в динамике. Не удавалось даже измерить время задержки оже-электрона по сравнению с фотоэлектроном.

Ференц Краус с коллегами смогли это сделать в своей работе 2002 года (M. Drescher et al., 2002. Time-resolved atomic inner-shell spectroscopy). Ультракороткий импульс мягкого рентгена длительностью в половину фемтосекунды попадает на атом криптона и выбивает два электрона. Детектор аккуратно измеряет их энергию, и благодаря этому физики могут четко отличить фотоэлектрон от оже-электрона. Ультракороткий импульс приходит одновременно с более длинным и более сильным инфракрасным импульсом, поэтому, как мы обсуждали выше, оба электрона получают дополнительный «пинок» от электрического поля инфракрасного импульса. Экспериментаторы раз за разом повторяли эксперимент с разными задержками по времени между двумя импульсами и смотрели, как от этого изменяется энергия оже-электронов. Аккуратное измерение и сравнение с моделированием дало ответ: оже-электрон вылетает из атома криптона примерно через 8±1 фс после фотоэлектрона.

А вот еще более впечатляющий пример. В своей работе 2010 года группа Крауса решила измерить задержку при фотоионизации для электронов, вылетающих с разных оболочек в атоме неона (M. Schultze et al., 2010. Delay in Photoemission). Когда электрон в атоме поглощает фотон, он срывается с места не мгновенно. Ему для этого требуется некоторое, пусть и очень малое время. Более того, это время может различаться для электронов на разных электронных оболочках атома. Именно эту задержку между моментом вылета электронов с 2s и 2p оболочек под действием одинакового ультракороткого импульса мягкого рентгена экспериментаторы и пытались обнаружить. Эксперимент показал: 2p электрон стартует на 21±5 аттосекунд позже, чем 2s электрон.

Впрочем, быстро выяснилось, что даже такая невообразимо короткая задержка слишком велика для теоретиков. Несколько теоретических групп рассчитали этот процесс и предсказали существенно меньшую задержку — всего несколько аттосекунд. В течение семи лет ситуация пребывала в подвешенном состоянии, пока неутомимая Анн Люийе с сотрудниками в своей статье 2017 года не расставила все по местам (M. Isinger et al., 2017. Photoionization in the time and frequency domain). Оказывается, группа Крауса не приняла во внимание некоторые дополнительные процессы при фотоионизации. Измерение Люийе с учетом этих процессов показало хорошее согласие с экспериментом: задержка между вылетом 2p и 2s электронов действительно не превышает десятка аттосекунд. Поразительно, что такие времена удается «отловить» с помощью импульсов длительностью сотни аттосекунд,

Напоследок

Положение дел в физике аттосекундных явлений развивается стремительными темпами. Физики уже научились использовать аттосекундные импульсы для изучения неравновесной динамики электронов не только в атомах, но и в молекулах и даже в конденсированной среде. Так, в 2015 году швейцарским физикам под руководством Ханса Якоба Вёрнера (Hans Jakob Wörner) удалось проследить, как внутри молекулы йодацетилена HCCI туда-сюда перетекает возмущение электронной плотности, вызванное поглощением фотона (P. Kraus et al., 2015. Measurement and laser control of attosecond charge migration in ionized iodoacetylene).

В 2020 году та же группа опубликовала статью с броским названием «Аттосекундная спектроскопия жидкой воды» (I. Jordan et al., 2020. Attosecond spectroscopy of liquid water). С помощью хитроумного эксперимента, в котором в фокусе ультракоротких импульсов одновременно находился и водяной пар, и струйка жидкой воды (рис. 11), авторы выяснили, что фотоионизация молекулы воды в жидкой фазе запаздывает относительно свободной молекулы на 50–70 аттосекунд. Множество других примеров использования аттосекундной спектроскопии для исследования сверхбыстрых явлений в атомах, молекулах и конденсированных средах можно найти в полновесном обзоре, вышедшем в прошлом году (R. Borrego-Varillas et al., 2022. Attosecond spectroscopy for the investigation of ultrafast dynamics in atomic, molecular and solid-state physics).

Рис. 11. Схема эксперимента по сравнению времени фотоионизации молекул воды в жидкой и в газовой фазе

Выдвигаются также и новые идеи относительно того, как получить рентгеновские импульсы длительностью в считанные аттосекунды (T. Popmintchev et al., 2012. Bright Coherent Ultrahigh Harmonics in the keV X-ray Regime from Mid-Infrared Femtosecond Lasers) или даже короче одной аттосекунды (C. Hernández-García et al., 2013. Zeptosecond High Harmonic keV X-Ray Waveforms Driven by Midinfrared Laser Pulses), то есть в совершенно немыслимом ранее зептосекундном диапазоне. Может быть, через пару десятков лет, вооружившись зептосекундными импульсами, экспериментаторы научатся управлять колебаниями внутри атомных ядер — такого рода предложения уже действительно высказываются (K. Heeg et al., 2021. Coherent X-ray−optical control of nuclear excitons).

Возвращаясь к аттосекундному «Нобелю», хочется напоследок упомянуть, что, к удивлению и разочарованию многих, среди лауреатов не оказалось Пола Коркума. Нобелевский комитет, безусловно, признает, что Коркум был ключевой фигурой в становлении аттосекундной физики; так, в опубликованном на сайте премии научном сопровождении пресс-релиза (scientific background) Коркум упоминается даже чаще Пьера Агостини. Поскольку Нобель за аттосекундные достижения назревал давно, нобелевские ожидания время от времени подогревались и в Оттаве, где работает Коркум. В любопытном материале, подготовленном изданием Ottawa Citizen в преддверии объявления лауреатов Нобелевской премии 2015 года, прямо намекают, что награду могут присудить и Коркуму. Тогда, в 2015 году премию вручили за нейтрино (см. Нобелевская премия по физике — 2015, «Элементы», 08.10.2015). Но в прошлом году те же Люийе, Краус и Коркум были отмечены престижнейшей премией Вольфа, которая многими воспринимается как последняя остановка перед неминуемой Нобелевской премией. Увы, Пол Коркум ее не получил. Видимо, комитет принял решение присудить премию именно тем физикам, которые были первопроходцами в самом прямом смысле слова: открыли эффект и впервые пробили фемтосекундный барьер.

Источник: Advanced information. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2023 — развернутое научное пояснение достижений лауреатов, дополняющее пресс-релиз Нобелевского комитета.

Научные обзоры:
1) P. B. Corkum, Ferenc Krausz. Attosecond science // Nature Physics. 2007. DOI: 10.1038/nphys620.
2) Matthias F. Kling, Marc J. J. Vrakking. Attosecond Electron Dynamics // Annual Review of Physical Chemistry. 2008. DOI: 10.1146/annurev.physchem.59.032607.093532.
3) Ferenc Krausz, Misha Ivanov. Attosecond physics // Rev. Mod. Phys. 2009. DOI: 10.1103/RevModPhys.81.163. — вполне доступный и при этом исключительно информативный обзор аттосекундной физики по состоянию на 2009 год.
4) Lukas Gallmann, Claudio Cirelli, and Ursula Keller. Attosecond Science: Recent Highlights and Future Trends // Annual Review of Physical Chemistry. 2012. DOI: 10.1146/annurev-physchem-032511-143702.
5) Peng Peng, Claude Marceau, David M. Villeneuve. Attosecond imaging of molecules using high harmonic spectroscopy // Nature Reviews Physics. 2019. DOI: 10.1038/s42254-018-0015-1. — небольшой обзор современной ситуации, написанный очень доступным языком.
6) Rocio Borrego-Varillas, Matteo Lucchini, Mauro Nisoli. Attosecond spectroscopy for the investigation of ultrafast dynamics in atomic, molecular and solid-state physics // Rep. Prog. Phys. 2022. DOI: 10.1088/1361-6633/ac5e7f.

Научно-популярные материалы:
1) Игорь Иванов, Масштабы: Времена — проект на «Элементах», посвященный сверхбыстрым процессам.
2) Игорь Иванов, Масштабы времен: путешествие вглубь секунды с историческими отступлениями — цикл научно-популярных лекций, прочитанный для Лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова ОИЯИ. На странице доступны слайды презентаций и ссылки на записи лекций на YouTube.
3) Игорь Иванов, Осколки секунды, онлайн лекция для Фонда «Траектория».
4) Игорь Иванов, Шкала времен как арена для физических и астрономических явлений, онлайн лекция для Фонда «Траектория».
5) G. ’t Hooft and S. Vandoren, Time in powers of ten: Natural phenomena and their timescales, (World Scientific, 2014).
6) И, наконец, в качестве противовеса сверхбыстрым процессам, — отличный видеоматериал про безумно далекое будущее Вселенной: Timelapse of the Universe.

Игорь Иванов

Adblock test (Why?)

Ссылка на первоисточник

Картина дня

наверх